Kracht op een enkel voortschuivend kobaltatoom gemeten

Wie structuren atoom voor atoom wil opbouwen, zoals in de nanotechnologie of bij het maken van minuscule elektronica, die wil ook de minieme krachten tussen atomen kennen. Onderzoekers van het Almaden Research Center van IBM in California hebben nu een stap in die richting gezet. Ze slaagden erin de kracht te meten die nodig is om één enkel kobalt atoom voort te schuiven over een oppervlak van platina, en over een oppervlak van koper (Science, 22 februari).

Hun nieuwe sensor is een combinatie van de twee krachtigste microscopen ter wereld. Een scanning tunneling microscoop (stm ) tast een oppervlak atoom voor atoom af door er met een ultrascherp naaldje vlak boven te bewegen, zonder het oppervlak te raken. Omdat de naald zo dichtbij is, kunnen elektronen overspringen en gaat er een elektrische stroom lopen. De stroomsterkte hangt sterk af van de afstand tussen de naald en het oppervlak. Daardoor is het mogelijk een heel precieze hoogtekaart van het oppervlak te maken. In een atomaire krachtsmicroscoop (AFM) sleept een zelfde soort scherpe naald daadwerkelijk over het oppervlak, en tast als de naald van een ouderwetse platenspeler de hoogteverschillen af.

De naald in de combinatiesensor zit aan het uiteinde van een silicium staafje, dat in trilling wordt gebracht. Het puntje van de naald, in het ideale geval één enkel atoom, beweegt daardoor (20.000 keer per seconde) naar het oppervlak toe en er vanaf. Doordat de atomen in de tip en die in het oppervlak elkaar afstoten, is de trillingsfrequentie van de naald in de buurt van het oppervlak anders dan wanneer het staafje helemaal vrij zou trillen. Het verschil in trillingsfrequentie is een directe maat voor de sterkte van de kracht tussen naald en oppervlak.

Heel dicht bij het oppervlak is de kracht zelfs groot genoeg om een atoom aan het oppervlak een duwtje te geven. Het atoom kan dan over het oppervlak, dat van dichtbij een beetje lijkt op een eierdoos, van het ene kuiltje in het andere rollen.

De verwachting was dat zo’n nanoverschuiving bij het koper minder inspanning zou kosten dan bij het platinum, vanwege de kleinere krachten tussen het kobaltatoom en de koperatomen. Dat bleek precies te kloppen: 210 piconewton op platinum en 17 piconewton op koper.

Rob van den Berg

    • Rob van den Berg